張珍紅，林勤保*，景 波，李 烴

（1．暨南大學(xué) 包裝工程研究所，產(chǎn)品包裝與物流廣東普通高校重點實驗室，廣東 珠海 519070；2．拱北海關(guān)技術(shù)中心，廣東 珠海 519020）

紙包裝材料具有輕量便于運輸、成型性和印刷適性優(yōu)良等特性，是食品包裝領(lǐng)域中一種重要的包裝材料。近年來，隨著“限塑令”政策的出臺和全民環(huán)保意識的提升，紙張在食品包裝中應(yīng)用也越來越廣泛。然而食品接觸用紙的“異味”是限制紙包裝在食品行業(yè)發(fā)展的主要原因之一[1]。我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4806．8－2016[2]規(guī)定食品接觸材料遷移或擴散到食物中的成分不應(yīng)改變食物的品質(zhì)與風(fēng)味；歐盟相關(guān)條令89/109/EEC[3]也強調(diào)：包裝材料中所有物質(zhì)無論是有意添加物還是非有意添加物遷移到食品中，既不得影響食物的感官特色也不能對人體健康有害；美國食品藥品監(jiān)管局（FDA）在21 CFR 174．5[4]中提到食品包裝如果被檢測存在會使食品出現(xiàn)異味的物質(zhì)，即使該物質(zhì)為可安全使用的食品添加劑，仍認定生產(chǎn)商違反了聯(lián)邦食品法。

目前針對食品接觸用紙中的揮發(fā)性物質(zhì)分析通常采用感官測試和儀器檢測兩種方式[5]。感官測試真實模擬了消費者的直觀感受，然而這種感受是多種揮發(fā)性氣味物質(zhì)共同作用的結(jié)果，難以獲悉氣味的具體組分，需要借助儀器鑒別。儀器檢測不僅包括儀器的選用，也涉及揮發(fā)性有機化合物的萃取等樣品前處理問題。傳統(tǒng)的揮發(fā)物萃取方式為固相萃取[6]、液液萃取[7]等，這些萃取方式過程繁雜，耗費大量的人力和物力，同時還可能引入不必要的復(fù)雜成分而影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。靜態(tài)頂空因其優(yōu)異的揮發(fā)性物質(zhì)萃取能力和簡化的前處理過程，被廣泛應(yīng)用于揮發(fā)性氣味物質(zhì)的分析[5]。

紙包裝中的“異味”是國內(nèi)外許多學(xué)者研究的焦點。Czerny等[8]將紙板中的氣味物質(zhì)萃取并稀釋后采用高分辨氣相色譜－質(zhì)譜儀進行分析，結(jié)果顯示紙板中存在產(chǎn)生臭味的化合物；Vera等[9]研究了PP、PE、紙和紙板等食品包裝材料中的異味化合物，在紙質(zhì)食品包裝材料中檢出具有油脂氣味的三甲苯和具有微弱木香的萜烯，指明了紙板中油脂味的一種產(chǎn)生途徑；張宜彩等[10]利用頂空－氣相色譜－質(zhì)譜（GC－MS）聯(lián)用法結(jié)合保留指數(shù)（RI）在19種食品包裝用紙中鑒定出可能對食品風(fēng)味產(chǎn)生影響的36種成分，并分析各組分的氣味特性及其來源，為紙包裝“異味”溯源提供了一定的數(shù)據(jù)支撐。為縮小紙張“異味”的來源范圍，本文開展進一步深入研究，對食品接觸用紙中鑒別出的氣味物質(zhì)分級，找出解決“異味”問題需要重點關(guān)注的物質(zhì)，旨在為食品接觸用紙生產(chǎn)工藝的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

6種來自國內(nèi)外不同供應(yīng)商的食品接觸用原紙（包括直接接觸和間接接觸），編號為P1～P6，其中P1為珠海某公司生產(chǎn)的食品級食品接觸用紙；P2為寧波某公司生產(chǎn)的非食品級吸塑卡紙；P3和P4均為山東某公司的非食品級白卡紙；P5、P6為進口食品級原紙，分別生產(chǎn)于美國某公司和歐洲某公司。紙樣的相關(guān)信息如表1所示。

表1 實驗樣品及相關(guān)信息Table 1 Experimental samples and related informations

1.2 試劑與儀器

質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的C7～C40正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)溶液（色譜純，美國Sigma－Aldrich公司）；正己烷（色譜純，美國Tedia試劑公司）。

7890A－5975C氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀、7697A頂空進樣器（美國Agilent公司）；AR224CN電子天平（常州奧豪斯儀器有限公司）；20 mL頂空瓶，配3．0 mm厚度的聚四氟乙烯硅膠墊片鉗口瓶蓋（美國Agilent公司）；MS－DIAL軟件，版本為Version 4．48（日本Riken可持續(xù)資源科學(xué)中心）。

1.3 儀器條件

靜態(tài)頂空條件：加熱箱（即平衡溫度）：120℃；定量閥/環(huán)：130℃；傳輸線：140℃；樣品瓶平衡時間：30 min；壓力平衡時間：0．5 min；進樣時間：0．5 min。

GC－MS條件：Agilent HP－5MS色譜柱（30 m×0．25 mm，0．25μm）；后進樣口：220℃；離子源：230℃；四極桿：150℃；傳輸線：280℃；載氣：高純氦（99．99%）；壓力：46 718．8 Pa；隔墊吹掃流量：3．0 mL/min；隔墊吹掃流量模式：標(biāo)準(zhǔn)；進樣模式：不分流；升溫程序：初始溫度35℃，保持2 min，以5℃/min升至70℃，恒溫保持2 min，再以10℃/min升至260℃，保持5 min。

電離方式：EI；電離能量：70 eV；溶劑延遲：4 min；采集方式：全掃描；質(zhì)量掃描范圍：m/z35～550 aum。

1.4 實驗方法

1.4.1 樣品處理將紙樣分別剪成面積約為25 mm2的正方形碎片，混合均勻。準(zhǔn)確稱取2．0 g紙樣（精確至0．001 g）置于20 mL頂空瓶中，密封后待測。每種樣品3個平行，并設(shè)置空白對照。為避免樣品受到污染，整個過程應(yīng)迅速有效。

1.4.2 保留指數(shù)的計算吸取0．1 mL質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的C7～C40正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)溶液，置于10 mL容量瓶中，用正己烷定容至10 mg/L。

快速量取100μL質(zhì)量濃度為10 mg/L的正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)溶液于頂空瓶內(nèi)，密封后待測。由于本實驗中GC?MS升溫程序是非線性的，在兩個線性升溫之間設(shè)有恒溫平臺，因此分別利用Van Den Dool等[11]推算的線性升溫公式（式1）和恒溫公式（式2）計算紙樣中升溫段和恒溫段中各化合物的RI。

上式中，Z表示在目標(biāo)組分之前流出的具有最大碳數(shù)的正構(gòu)烷烴的含碳數(shù)，一般≥4；Tx表示目標(biāo)組分流出時的保留時間；TZ表示碳原子個數(shù)為Z的正構(gòu)烷烴的保留時間，TZ+1表示碳原子個數(shù)為Z+1的正構(gòu)烷烴的保留時間。

1.4.3 揮發(fā)性成分分析定性分析[10]：借助保留指數(shù)定性是目前國際上鑒別揮發(fā)性化合物的一種公認的有效手段[12－13]。計算每個未知色譜峰下匹配度值大于80的參考物質(zhì)的保留指數(shù)RIx，通過與文獻在相同實驗條件下所測定該物質(zhì)的參考保留指數(shù)值對比，確定未知色譜峰對應(yīng)的揮發(fā)性物質(zhì)，以上定性步驟借助MS?DIAL軟件完成，為避免柱流失對實驗結(jié)果的影響，將各樣品扣除空白。將定性出的揮發(fā)性物質(zhì)在網(wǎng)站https：//www．chemicalbook．com/查詢其CAS號，再根據(jù)CAS號利用化合物氣味信息檢索網(wǎng)站http：//www．flavornet．org/flavornet．html或查閱相關(guān)文獻，確定揮發(fā)性物質(zhì)中可能會對人體造成感官影響或危害的成分的氣味特征。

半定量分析：對每個化合物的響應(yīng)峰利用峰面積歸一法得到其相對含量，定量結(jié)果以百分數(shù)表示，并用Microsoft Excel 2016計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.4.4 相對氣味活性值評價氣味貢獻度根據(jù)文獻[14]，本實驗采用綜合考慮各組分相對含量和感覺閾值2種指標(biāo)的相對氣味活性值（ROAV）評價不同揮發(fā)性氣味物質(zhì)的貢獻度。將每種紙樣中最高的ROAV定為100，并按式3計算紙樣中其他組分的ROAVx。

式中，c%x、c%1分別為目標(biāo)組分和ROAV最高組分的相對含量，dx、d1分別為目標(biāo)組分和ROAV最高組分的感覺閾值。一般認定ROAV≥1時，該化合物為主體氣味物質(zhì)，對總體氣味起決定性作用；而0．1≤ROAV＜1的組分則為輔助氣味物質(zhì)，對總體氣味起輔助或修飾作用[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)頂空條件的優(yōu)化

在頂空進樣中樣品瓶的平衡溫度與時間將直接影響檢測效率和檢測結(jié)果。通過查閱文獻[9－10,15]以及考慮到此類包裝用紙在整個生命周期過程可能經(jīng)歷的生產(chǎn)、使用及存儲條件，選擇不同的平衡溫度（80、100、120℃）與平衡時間（20、30、40 min）優(yōu)化頂空條件。

因在預(yù)實驗中發(fā)現(xiàn)P5、P6兩種紙樣中的揮發(fā)性物質(zhì)更為豐富，選取此兩種紙樣先固定30 min平衡時間對平衡溫度進行優(yōu)化。圖1為P6樣品在不同平衡溫度下的總離子流圖，可以看出80℃下待測化合物的響應(yīng)較差，揮發(fā)性成分難以揮發(fā)出來，而隨著溫度的升高，揮發(fā)性物質(zhì)的響應(yīng)峰值明顯上升，萃取效率也大幅提升?？紤]到紙和紙板在生產(chǎn)過程中的最高溫度可達125℃，主要在120℃左右浮動，為確保實驗結(jié)果的真實性，選擇樣品平衡溫度為120℃。

圖1 典型紙樣（P6）在不同平衡溫度下的總離子流圖Fig．1 Total ion chromatograms of typical paper sample（P6）at different equilibrium temperatures temperature：a．80℃；b．100℃；c．120℃

在平衡溫度120℃下，考察了平衡時間分別為20、30、40 min時的色譜響應(yīng)。結(jié)果顯示，平衡時間為20 min時，紙樣中含量較低的揮發(fā)性化合物未被完全富集，導(dǎo)致得到的色譜峰數(shù)量少，且響應(yīng)低，而30 min與40 min檢測出的色譜峰差異不大。因此綜合考慮富集效果和效率，選擇平衡時間為30 min。

2.2 不同紙樣中揮發(fā)性氣味物質(zhì)分析

基于優(yōu)化的條件，對不同紙樣進行揮發(fā)性氣味物質(zhì)的分析，典型紙樣的總離子流色譜圖見圖2。6種原紙中共檢出119種化合物，其中采用MS－DIAL定性了106種揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機化合物，包括醛類、酮類、酯類、醇類、胺類、醚類、羧酸類、烷烴類、烯烴類、環(huán)烷烴、環(huán)烯烴、芳香烴、雜環(huán)類以及含有溴、氯等雜元素化合物等14類。根據(jù)化合物氣味譜庫，鑒別出包括醛類、酮類、醇類、烷烴類、芳香烴類、烯烴類、雜環(huán)類、酯類、醚類和羧酸類等51種揮發(fā)性氣味物質(zhì)（表2）。整體上，P5、P6中含有的揮發(fā)性氣味成分較為豐富，這兩種紙樣均為化學(xué)漿。檢測到的揮發(fā)性氣味成分的氣味閾值及6種原紙中上述物質(zhì)的ROAV值見表3。

圖2 典型紙樣（P6）的總離子流圖Fig．2 Total ion chromatogram of typical paper sample（P6）the peak numbers denoted were the same as those in Table 2

表2 6種原紙中的揮發(fā)性氣味成分及其相對含量（n=3）Table 2 Volatile flavor components and their relative contents in the six base papers（n=3）

（續(xù)表2）

（續(xù)表2）

表3 6種原紙中揮發(fā)性氣味成分的相對氣味活性值Table 3 Relative odor activity values of volatile flavor components in the six base papers

（續(xù)表3）

由表2～3可知，在原紙的揮發(fā)性氣味物質(zhì)中，醛類化合物種類最多。醛類化合物的生成途徑通常為不飽和脂肪酸的裂解或氧化[17]。食品接觸用紙在生產(chǎn)過程中采用熱磨或化學(xué)試劑蒸煮等物理或化學(xué)手段制漿，使針葉林、草類植物等原材料中的不飽和脂肪酸（如油酸）發(fā)生熱降解和氧化反應(yīng)，產(chǎn)生了各種醛類物質(zhì)。本研究檢出的醛類物質(zhì)及其氣味貢獻主要如下：①（E）-2-己烯醛：因其具有蘋果和綠葉的清香也被命名為葉醛，僅在P5中檢出，相對含量小，且ROAV值為0．01，為輔助氣味物質(zhì)，對P5紙樣的總體氣味起到修飾作用。葉醛存在于蘋果、番茄等果蔬中，同時因其優(yōu)異的抗菌性能被應(yīng)用于果蔬的保鮮中[18]。②庚醛：6種原紙均檢出庚醛，其在P5中的相對含量較高，同時在P3、P4中的ROAV值均超過1，是構(gòu)成P3、P4中紙味的關(guān)鍵氣味成分。庚醛具有較強的刺激性氣味，當(dāng)其濃度較低時表現(xiàn)為脂肪和柑橘香氣，另外其本身的酸腐味會給食品接觸用紙帶來負面的感官評價，是造成紙張“異味”組分中值得重點關(guān)注的物質(zhì)之一。③苯甲醛和壬醛：在6種原紙中均有檢出，苯甲醛在不同紙樣中的相對含量比例較高，均在2．77%及以上，同時其閾值較高，是除P5外其余紙樣中重要的關(guān)鍵氣味物質(zhì)，其氣味特點中和了杏仁的苦澀味、焦糖的焦甜味和櫻桃的鮮香，它天然存在于植物中，其含量可能與造紙原材料所選用的植物種類有關(guān)；壬醛是紙和紙板中常見的氣味化合物[9]，在6種原紙中的ROAV非常高，是對紙味影響很大的關(guān)鍵的主體氣味化合物，表現(xiàn)為脂肪香、柑橘香以及嫩綠植物的清香。④（E）-2-壬烯醛和（E，E）-2，4-壬二烯醛：同為含有碳碳雙鍵的不飽和C9醛，具有相似的油脂味和植物清香，二者均為紙味中的主體氣味成分，尤其是后者的ROAV值為100，是最關(guān)鍵的氣味物質(zhì)，僅在P1、P5和P6 3種食品級原紙中檢出?？赏瑫r表現(xiàn)出肥皂味、橘子檸檬味和脂肪味的癸醛為紙樣中的關(guān)鍵氣味組分，這類氣味會使人產(chǎn)生一定的排斥感。綜上，氣味化合物在不同種類紙樣中的貢獻度有較大差異，在食品接觸用紙中主要的關(guān)鍵揮發(fā)性醛類氣味物質(zhì)為（E，E）-2，4-壬二烯醛、壬醛、癸醛、（E）-2-壬烯醛和苯甲醛，在GB 2760?2014[19]和（EU）No．872/2012[20]中這些醛類物質(zhì)被允許添加在食品用香料中；而在FDA法規(guī)[21]中以上物質(zhì)僅壬醛被列為可添加的合成香料。

酮類屬于羰基化合物，在食品接觸用紙中種類較多，共檢出10種酮類物質(zhì)。酮類一般由脂類物質(zhì)或氨基酸降解產(chǎn)生[17,22]。在6種原紙中P6的酮類物質(zhì)種類最多，相對含量最高，為17．19%，其中，1-辛烯-3-酮的金屬味會對P6總體氣味產(chǎn)生負面影響；甜奶油味的2，3-辛二酮是亞油酸經(jīng)脂氧合酶氧化的產(chǎn)物[17]。食品接觸用紙中主要的關(guān)鍵酮類氣味物質(zhì)有：肥皂味的2-庚酮（P5、P6中）、甜辣味的環(huán)己酮（P2、P4中）和帶有霉味、苦杏仁味及花香的苯乙酮（P4、P6中），它們在大部分紙樣中均有檢出。P5中檢出的異噻唑啉酮，具有刺鼻的化學(xué)試劑味、金屬味和燒焦味，會引起與紙接觸的食品風(fēng)味變化。異噻唑啉酮具有一定的毒性，主要來源于造紙過程中添加的異噻唑啉酮類殺菌防腐劑，是需要重點關(guān)注的氣味組分[23]。

醇類物質(zhì)僅在P2、P5和P6中檢出，P2中檢出的2-乙基己醇是關(guān)鍵氣味成分，有類似玫瑰花的香味和未成熟綠色植物的清香。2-乙基己醇是生產(chǎn)消泡劑的原材料，還常用于紙張上漿[24]。P5和P6均檢出的帶有刺激性化學(xué)味的正庚醇、蘑菇味的1-辛烯-3-醇和具有油脂香及花香的十二醇是紙中的輔助氣味化合物，對紙味的直接貢獻小。P5還發(fā)現(xiàn)了有負面氣味特征的辛醇，它表現(xiàn)為化學(xué)試劑味、金屬味和燒焦味，是主要的輔助氣味物質(zhì)。紙中含有該成分可能與生產(chǎn)商采用辛醇作為紙漿消泡劑有關(guān)[25]。

原紙中還檢出C13～C18的正構(gòu)烷烴，它們均含有烷烴特有的味道，正十八烷是P4、P5和P6中的關(guān)鍵氣味組分。紙中正構(gòu)烷烴來源于造紙必需原料煤焦油，同樣在造紙廢水中也發(fā)現(xiàn)了這類物質(zhì)[26]。苯乙烯的ROAV值很高，是產(chǎn)生紙味的關(guān)鍵氣味物質(zhì)之一，具有刺激性的汽油味和香醋味。苯乙烯常在造紙工業(yè)中作為濕部的增強劑和助流助濾劑以及干部的表面施膠劑（如苯乙烯－馬來酸酐聚合物（SM）表面施膠劑）的合成原料[27－28]。因此，無論是保證食品接觸用紙的安全還是解決紙“異味”問題，苯乙烯均是實際生產(chǎn)加工中值得重點關(guān)注的對象。萘存在于所有紙樣中，僅為P4的主體氣味成分，但其ROAV值均大于0．1，為其他紙樣中的重要輔助氣味成分，因此其焦油味對紙的總體氣味貢獻度相對較高。食品接觸用紙中的萘是在采用植物纖維原料造紙時，原料中木質(zhì)素的苯丙烷基團之間的醚鍵在水解過程中發(fā)生斷裂而產(chǎn)生[29]。

在6種紙中均檢出2-正戊基呋喃，其是紙中的關(guān)鍵氣味揮發(fā)性化合物，有奶油和青豆味。2-正戊基呋喃廣泛存在于各種熱加工食物中，其來源有：碳水化合物的熱裂解反應(yīng)[30]；脂類（如亞油酸、亞麻酸）的熱氧化[31]。

紙中也檢出具有水果香氣和沁人花香的庚酸甲酯、甲酸庚酯、丙位辛內(nèi)酯和辛酸正丁酯4種酯類，二丁醚和新癸酸也有類似香氣，雖然未查閱到其相關(guān)閾值，但它們達到一定量時可能會使與食品接觸用紙接觸的食品風(fēng)味更佳，也可能與食品發(fā)生拮抗作用而惡化食品的風(fēng)味。

在確定的51種揮發(fā)性氣味物質(zhì)中，（E，E）-2，4-壬二烯醛、癸醛、壬醛、（E）-2-壬烯醛、苯乙烯、2-正戊基呋喃和正十八烷在其有檢出的紙樣中的最小相對氣味活性值分別為100、30．77、18．16、2．05、2．04、1．86和1．06，均大于1，因此這7種物質(zhì)是6種食品接觸用紙中的關(guān)鍵氣味成分，對食品接觸用紙的紙味起決定性作用。

3 結(jié) 論

本文以6種食品接觸用原紙為樣品，利用靜態(tài)頂空提取紙樣中的揮發(fā)性有機化合物，借助MSDIAL軟件結(jié)合NIST14質(zhì)譜庫和色譜保留指數(shù)對GC－MS檢測結(jié)果定性，通過ROAV評價揮發(fā)性氣味物質(zhì)的貢獻度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：食品接觸用紙中對紙味有重要貢獻的關(guān)鍵揮發(fā)性氣味物質(zhì)為（E，E）-2，4-壬二烯醛、壬醛、癸醛、（E）-2-壬烯醛、2-正戊基呋喃、正十八烷和苯乙烯，是在生產(chǎn)實踐中解決食品接觸用紙“異味”需重點關(guān)注的物質(zhì)。本研究結(jié)果能對食品接觸用紙行業(yè)開展工藝改進和揮發(fā)性氣味物質(zhì)檢測提供技術(shù)支持。